DE1752679B2 - Verfahren zum verbindungsschweissen von kleinstbauteilen - Google Patents

Verfahren zum verbindungsschweissen von kleinstbauteilen

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Description

3. Verfahren nach Anspruch 2 unter Anwen- tigen Herstellung mehrerer Verbindungen auf, so daß dung des Thermokompressionsschweißens, da- 25 eine derartige Verfahrensweise wirtschaftlich nicht durch gekennzeichnet, daß als verformbarer erfolgreich ist. Wenn auch ein Schweißstempel ode: Übertragungsstoff ein mit einer Oxidschicht über- eine Sonotrode groß genug gemacht werden können, zogenes Metall verwendet wird. um mehrere Verbindungen gleichzeitig herstellen zn
4. Verfahren nach Anspruch 1 unter Anwen- können, verhindern jedoch Größentoleranzen des audung des Ultraschallschweißens, dadurch gekenn- 30 zuschweißenden Leiterdrahtes, daß derartige Einzeichnet, daß als verformbarer Übertragungsstoff richtungen jeden einzelnen Leiter zuverlässig mit dei Polytetrafluoräthylen verwendet wird. Unterlage verbinden. Wenn z. B. zehn Leiter auf einer
Unterlage angeordnet werden und acht dieser Leiter
genau die gleiche Größe haben, aber zwei um 10 bis
35 20 ° 0 kleiner sind, stellt ein flacher Stempel oder eine flache Sonotrode nur acht Verbindungen her. Wenn
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbin- andererseits aber ausreichend Druck angewandt wird,
dungsschweißen von Kleinstbauteilen, denen eine um alle zehn Leiter zu erfassen, werden acht Leiter
Vielzahl von Leitern oder eine Scheibe aus sprödem so stark verformt, daß eine schwache Verbindung ent-
Malerial zugeordnet sind, bei dem die Unterlage und 40 steht. Aber selbst wenn die Leiter genau gleiche
die Leiter bzw. die Scheibe zusammengebracht, mit- Größe haben, kann immer noch die Dicke der metal-
tels eines Übertragungsgliedes zusammengepreßt und lischen Anschlußstellen auf der Unterlage schwan-
im Zusammenwirken mit dem übertragenden Druck ken, oder diese selbst verschieden dick sein, oder der
mittels Thermokompression oder Ultraschall zusam- Schweißkopf kann abgenutzt oder fehlausgerichtet
mengeschweißt werden, wobei der aufgebrachte und 45 sein, so daß eine energieübertragende Kopplung mit
der übertragene Druck in gleicher Richtung zur Ein- einem jeden Leiter nicht mehr vorhanden ist. Somit
wirkung gebracht werden. besteht das Problem nicht darin, an sich Leitet
Die Verbindung von Halbleiter- oder an deren gleichzeitig zu verbinden, sondern darin, immer je-
sehr kleinen Schaltungselementen mit gedruckten 3en einzelnen Leiter einer Gruppe gleichzeitig zuver-
Schaltungsplattinen und dünnen Filmen auf Unterla- 5o lässig zu verbinden.
gen bietet zahlreiche Schwierigkeiten, insbesondere Es sind Versuche durchgeführt worden, um Ultradie Schwierigkeit, eine Beschädigung des Schaltungs- schall- und Warmpreßschweißen, hauptsächlich da; elementes zu vermeiden, das im Fall eines Halb- letztgenannte, bei der Verbindung von Stützleiter leiterkristalls sehr spröde sein kann, oder im Fall bauelementen mit ihren Unterlagen anzuwenden eines Feindrahtleiters deformiert oder gar bis zum 55 Hierbei entstehen die gleichen Probleme, jedoch ii Bruchpunkt kaltgehärtet vorliegen kann. Eine Be- wesentlich größerem Ausmaß. Da die Leiter kleii Schädigung der Unterlage kann ebenfalls auftreten, sind, kann sehr leicht eine zu große Verformung ii da Unterlagen für integrierte Schaltungen und ge- einer Schweißstelle entstehen. Außerdem bewirkt dl· druckte Schaltungen spröde sein können. gleichzeitige Anwendung von Druck auf alle Leiter
Zwei bekannte Verfahren sind das Ultraschall- 6o enden eines derartigen Bauelementes zumeist, dal
schweißen und das Warmpreßschweißen. Beim erst- sich die inneren Enden der Leiter und das Halb
genannten wird die Unterlage auf einem Amboß ge- leiterbauelement selbst von der Unterlage weg naci
halten und der darauf gelegte Leiter mit der Sono- oben bewegen, wodurch das Ganze recht stark bean
trode der Ultraschallschweißvorrichtung festgepreßt. sprucht wird. Hierdurch können geänderte elektri
Eine kurzzeitige Zuführung von Ultraschallschwin- 65 sehe Eigenschaften oder Verbindungsausfälle entste
gungen parallel zur Unterlagenoberfläche stellt die hen.
Schweißverbindung her. Die reibende Bewegung der Zum Beispiel kann ein einfaches Stützleiterbauele
Oberfläche des Leiters auf der Oberfläche der Unter- ment 12 oder 16 Leiter von je 0,013 X 0,0012 ei
tan Die engste Toleranz, die für die Dicke einer Werten Siliciumscheibe zu erreichen ist. beträgt P13Sf5 + 0,0005 cm. Zwar ist dieses für sich be b hit eine sehr enge Toleranz, si» beträgt aber +40 "/ο der gewünschten Leiterdicke. Selbst Hei Schweißkopf vollkommen flach und genau S is7- eine Tatsache, die nicht imuer soist es doch gut möglich, daß er nicht iti« mi: sämtlichen Leitern gekoppelt ist, so S^ Verbindung unvollständig wird. Wenn auch eletaische Prüfmethoden auf das Vor-„ !densein einer Verbindung bestehen, so ist doch T dnzt zuverlässige Verfahren zur Feststellung idgsstärke eine mechanische Prüfung,
anderes Verfahren zur Durc^^ergie bestehi übertragung mit Absorpüon ™*%%® m verdarin, einen verhältnismäßig st^n K°^Per das wenden, der elastisch gelagert wird, so da* Ganze ein nachgiebigeres Teü Duaei.
Wenn ein zweites Stück aus yerformbjMeniMate_ rial zwischen den festen Untersatz und to Hartgu mikubus gelegt wird, entsteht em^ ^at£e J^ mung beider Unterlagen. Wemi das ebenfalls ein Kubus ausiMsumm, lieh die Verformung beider Stucke. Verteilung der Verformung ^^sc^ Materiahen kann am δΡ^
der Materialien ohne
Die
hen
g Werden. Die-
•J? nJraschali'-Schweißmaschine zum Verbinden auf einen i™ -"-·—„Γ^ s0 kann
SSer ähnlicher Folien od. dgl. beschrieben. Be1 der *> wicht auf den Jub^g^™1^ lastisch sein
-^;ten Vorrichtung wird mittels einer Federflie formung beide^ Kuben elapse ^J.
der andere plastisch verformt wird in je-FaIl fann das Verhalten der jeweiligen Matena-
inten voiin-"""»s """ "■■"-— ■ ---·
r-vuns der Ultraschallwellen auf das Geste.l Apr M ichfne verhindert. Es werden jedoch keine ae ' "' · n. um Druck über ein deformierbares
Druck über ein deformierbares
auf ein zu verbindendes EIe- « Hen aus der fd? jeweiligen
hnungskurve ersehen ^1°dm ,«einigen Eir,-
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Vcrb.ndungsyerhhr zu schaffen, daß das Verhältnis der ekelten en Verbindungen vergrößert, und das auch benutzt lon kann, um gleichzeitige Verödungen herzu-
4o den J
men. ^
e Aufgabe wird unter Anwendung des einbeschriebenen Verfahrens dadurch gelost, daß Druckübertragung mittels eines verformbaren, übertragungsglied beaufschlagten unmittelbar lihiti auf sämtliche Leiter bzw. die ge- ^te Fläche der Scheibe einwirkenden
gsstoffes erfolgt.
iTrRbhäneia davon, ob ein deformierbares Medium leider schwer zu verformen ist, überträgt e Druck, während es Energie absorb.ert. Wenn edemgemäß ein Stahlkubus von 2,54 cm de. au
45
ruht, die Tendenz sich nach undie stangen zu verfordes Kub ^ ein rundei n gelegt Rändert sich
^ n .^ sehr klein so daß der
J J dasselbe angewandte Gewicht) sehr groß £ru ν Hierdurch wird eine entsprechende Ver se™ß 1JL der Formänderung (Verformung beider ^^„twirkt. Mit anderen^^- nune an der Grenzfläche und nicht die gesamte zug
n.u?8 a" °'V bestimmt die Verformung beider Mateuhrte Kraft be~ Änderung der geometn-
nahen -^11 iden Materialien eine verhältnis-
Se Kraft eine verhältnismaß.g große Ver-
SÄerSr^^rv^^ rirtidGröße der Verformung wird ferne
Druck auf dem Untersatz beträgt 9 kg/cm«. Wenn Ehe Art und Zuführung von thermische
?er Kubus statt aus Stahl aus hartem Gummi, herge- we«nü.ch du ^ ^ .^ ebenfall de„ span
wird, wird die Verformung großer, jedoch der bnergie dia ammen der gewählten Mater«
ff Sie.
5 \J 6
Um die obige Diskussion eines verformbaren Stof- fenbar auf die plattierte Oberfläche an der Unterlage fes zu erläutern, sei angenommen, daß ein Bauele- begrenzt. In gleicher Weise können Stützleiterbauelement mit 16 Stützleitern (Goldleiter) mit den golde- mente mit Unterlagen ohne wesentliche sichbare nen Kontaktstellen einer Unterlage unter Verwen- Verformung verbunden werden,
dung eines Stempeldrucks von 13,6 kg bei 400° C 5 Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung werden verbunden werden soll. Die Leiter sind das Material die beiden Werkstücke auf einen tragenden Amboß B, die Kontaktstellen sind der feste Untersatz, und oder einen Tisch gelegt, wobei der nachgiebige Stoff das Material A ist das Material, das hier als das de- über das gewünschte Verbindungsgebiet angeordnet formierbare Medium bezeichnet wird. Um ein geeig- wird. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung werden netes deformierbares Medium zu wählen, wird das io verformbare Metalle mit zähen haftenden Oxidfilmen Spannungs-Dehnungsdiagramm von Gold bei als deformierbares Medium verwendet, wobei Ther-400° C vorzugsweise doppeltlogarithmisch aufgetra- mokompressionsschweißen die bevorzugte Art der gen, wobei die Fließgrenze auf der Ordinate liegt Verbindung ist. Jede nicht benetzende Oberfläche und die Neigung der Kurve der Kalthärtungs-Index sollte jedoch zufriedenstellend arbeiten. Es wird ein ist. Aus dieser Darstellung kann die Spannung be- 15 erhitzter Stempel verwendet, um das deformierbare stimmt werden, die notwendig ist, um jeden Verfor- Medium zu verformen und gleichzeitig die Verbinmungsgrad des Goldes zu erreichen. Wenn eine dung zwischen den Werkstücken herzustellen. Der 50 ° o-Verformung des Leiters gewünscht wird, wird Oxidfiim verhindert, daß sich das defurmierbare Medie entsprechende Spannung gewählt, um sie zu er- dium mit einem der Werkstücke verbindet. Es ist hier reichen. Wenn das deformierbare Medium doppelt so 20 angenommen, daß alle Verbindungsoberflächen frei dick wie der Leiter ist, wird es nur um 25 °,Ό bei der von Oberflächenfilmen oder Verunreinigungen sind. 50 ° o-Verformung des Leiters verformt. Somit ist je- Wenn auch ein erhitzter Stempel die normale Art der des Material mit einem solchen Spannungs-Deh- Zuführung von Wärme und Druck bei der Warmnungsdiagramm, daß eine 25 °/o-Verformung bei der preßschweißung darstellt, so kann selbstverständlich gewählten Spannung auftritt, ein geeigneter Stoff. Im 25 die Wärme auch auf verschiedene andere Weise zubetrachteten Beispiel ist Aluminium 2024 ein befrie- geführt werden. Es kann ein heißes Gas am Verbindigender Stoff. Wenn ein Stoff gewählt ist, wird die dungsgebiet vorbeistreichen, der Amboß kann erhitzt geometrische Form betrachtet. Die Unterlage ruht werden oder es kann Widerstandserwärmung verauf einem Amboß, das Bauelement wird auf sie ge- wendet werden.
legt, und ein deformierbarer Aluminiumrahmen, der 30 Ein überraschender Aspekt dieser Ausführung der nur die Leiter bedeckt, daraufgelegt. Der erhitzte Erfindung besteht darin, daß in dem plastisch defor-Stempel wird unter einer Belastung von 13,6 kg (ab- mierbaren Medium nach der Verbindung ein vollsolut) heruntergeführt. Der Druck an der Grenz- kommenes Abbild des Verbindungsgebietes eingeflache Stempel-Aluminium ergibt sich zu etwa 140 drückt ist. Dieses kann zur Beurteilung herangezogen kg/cm2. Dieser Wert liegt unterhalb der Fließgrenze 35 werden, ob eine gute Verbindung hergestellt worden dieser Legierung bei 400c C. Jedoch beträgt der ist. Man hat festgestellt, daß bei Herstellung einer Druck an der Grenzfläche Aluminium-Leiter, die guten Verbindung das eingedrückte Abbild jede Eineine viel kleinere Fläche ist. mehr als 7000 kg/cm2 zelheit der Verbindung zeigt, sogar einschließlich und liegt oberhalb der Fließgrenze beider Metalle, so Oberflächenfehler. Wenn die Verbindung jedoch daß eine Verformung stattfindet. Wenn sich das Alu- 40 schlecht ist, ist auch das Abbild schlecht und hat ein minium um die Leiter herum verformt hat, und die ganz anderes Aussehen. Weiterhin kann das defor-Unterlage berührt — wie eingehend unten beschrie- mierbare Medium als Rahmen ausgebildet werden, ben wird —, vergrößert sich die Kontaktfläche bei der ein oder eine große Anzahl von Bauelementen in abnehmendem Druck bis sie gleich der Größe der einer Weise hält, die die Anordnung auf der UnterGrenzfläche Stempel-Aluminium ist. d. h., der Druck 45 lage erleichtert. Die Verwendung eines plastisch dtfällt auf etwa 140 kg/ cm2 ab, so daß die Verformung formierbaren Mediums ist ferner sehr erwünscht zui aufhört. Herstellung zuverlässiger Verbindungen in Massen-
Bei der Verbindung von Leiter mit Unterlagen produktion. Die Bauelemente, z. B. integrierte Stütz-
durch herkömmliches Thermokompressions- oder leiterschaltungen. werden wenige Zentimeter vonein-
Ultraschallschweißen war es für eine gute Verbin- 50 ander entfernt auf einem Aluminiumband als defor-
dung notwendig, daß der Leiter im wesentlichen zur mierbares Medium angebracht.
Unterlage hin verformt wird, obwohl eine Verfor- Bei kleinen Bauelementen, d.h. solchen mit drei
mung an sich nicht notwendigerweise bedeutet, daß Leitern, kann die Befestigung an dem Band durcli
eine gute Verbindung hergestellt wurde. Durch Ver- ein Klebemittel erfolgen. Bei anderen Bauelementer
wendung eines deformierbaren Mediums kann je- 55 mag es vorzuziehen sein, in dem Band Löcher odei
doch die plastische Verformung nach der Herstellung Fenster vorzusehen, die groß genug sind, um der
der Verbindung so klein sein, daß sie im wesentli- Körper der Bauelemente festzuhalten. Das Alumi-
chen unsichtbar isL Dieses kann durch Ultraschall- nium ist mit Anzeigemitteln, z.B. Randmarkierunger
schweißung von Plättchen erläutert werden, die aus oder Löchern versehen, und die Bauelemente sind zu
einkristallinen Siliciumscheiben oder anderen sprö- 60 diesen genau ausgerichtet. Die Unterlage wird untei
den Kristallen geschnitten sind. Jede Verformung dem Stempel angeordnet, das Band wird in seine
derartiger Materialien, die durch die bekannten Lage gebracht und die Verbindung hergestellt. Danr
Schweißverfahren erzeugt wird, führt zu einem wird eine neue Unterlage unter den Stempel gebrachi
Bruch. Sie verformen sich nicht, wenigstens nicht im (dieses kann automatisch erfolgen), das Band wire
üblichen Sinn des Wortes. Dennoch werden sie er- 65 vortransportiert und die nächste Verbindung herge
folgreich mit Unterlagen unter Verwendung eines de- stellt. Die Ausrichtung des Stempels, die Abnutzun|
formierbaren Mediums mit Wärme und Ultraschall- der Stempeloberfläche und Materialverluste auf dei
energie verbunden. Die gesamte Verformung ist of- Stempelspitze sind keine Probleme mehr, weil zui
Herstellung der Verbindung stets frisches deformierbares Medium verwendet wird. Das benutzte Band zeigt ein Abbild jeder Verbindung, das für Prüfzwecke ausgenutzt werden kann.
Es können auch Verbindungen hergestellt werden, indem Ultraschallenergie über ein plastisch deformierbares Medium zugeführt wird, wobei dieses Verfahren bei der Verbindung von spröden Siliciumplättchen od. dgl. mit Unterlagen vorzuziehen ist (die hier verwendeten Ausdrücke »Ultraschallenergie« oder »Ultraschallvibrationsenergie« sollen Vibrationsenergie von im wesentlichen jeder Frequenz von etwa 60 Hz bis zum Kiloherz-Bereich beinhalten). Beide Seiten der Plättchen sind normalerweise metallisiert und plattiert, bevor sie aus einer größeren Scheibe geschnitten werden.
Die Unterlage wird auf einem Amboß angeordnet, das Plättchen darauf gelegt und hierauf ein deformierbares Medium, typischerweise ein Aluminiumstück, das mehrere Mal dicker als das Plättchen ist. Dann wird für einen Bruchteil einer Sekunde Wärme zugeführt und daraufhin werden sowohl Wärme als auch Ultraschallenergie für einen weiteren Bruchteil einer Sekunde zugeführt. Die Wärme erweicht das Aluminium etwas, wobei sich das Aluminium bei Zuführung der Ultraschallenergie um das Scheibchen verformt, wiederum nur etwas, jedoch ausreichend, um eine energieübertragende Kopplung mit dem Plättchen herzustellen. Innerhalb weit weniger als einer Sekunde ist das Plättchen mit der Unterlage verbunden. Es wurden auch Verbindungen mittels Ultraschallenergie unter Verwendung von Polytetrafluoräthylen als deformierbares Medium zwischen dem Werkstück und dem Schweißkopf hergestellt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Werkstücke wiederum auf einem Amboß oder einem Tisch angeordnet, jedoch ist in diesem Fall der Tisch selbst in der Lage, Ultraschallschwingungen parallel zur Oberfläche auszuführen. Auf das Verbindungsgebiet wird ein deformierbares Medium aufgebracht, um die Werkstücke zusammenzuklemmen, und die zugeführte Ultraschallenergie sorgt für die Herstellung der Verbindung. Über das deformierbare Medium werden vorteilhafterweise dem Verbindungsgebiet Wärme zugeführt, so daß die Menge der zur Herstellung der Verbindung erforderlichen Uitraschallencrgie herabgesetzt wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel verformt sich das deformierbare Medium vorzugsweise elastisch, und es ist zweckmäßig am Boden eines Kolbens befestigt Es kann ein orgamisches Material z.B. ein Silicongummi sein. Andererseits kann es auch in Form zahlreicher federbelaxteter Stifte vorliegen, die in einer Matrix angeordnet sind, wobei die Lage jedes Stiftes einem einzelnen Verbindungsgebiet entspricht. Die Verwendung einer derartigen Matrix ist hauptsächlich bei der Verbindung von verhältnismäßig großen Einrichtungen von Nutzen.
Nachfolgend ist die Erfindung an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 eine Seitenansicht eines Stützleiterbauelernentes auf einer Unterlage,
F i g. 2 die Seitenansicht nach F i g. 1 mit dem aufgelegtem nachgiebigen Stoff,
F i g. 3 die Seitenansicht nach F i g. 2 während der Thermokompressionsverbindung entsprechend der Erfindung,
Fig, 3A die Verbindung eines einzelnen Leiters,
F i g. 4 die Seitenansicht der F i g. 3 nach der Verbindung,
F i g. 5 eine Seitenansicht eines Stützleiterbauelementes auf einer Unterlage in Vorbereitung zur Ultraschallschweißung entsprechend einer weiteren Ausbildung der Erfindung,
F i g. 6 die Seitenansicht nach F i g. 5 während der Ultraschallschweißung,
F i g. 7 einen Teilschnitt einer Anordnung für die
ίο Verbindung eines Einkristallscheibchens mit einer Unterlage,
F i g. 8 den Teilschnitt nach F i g. 7 während der Verbindung.
An Hand der F i g. 1 bis 4 soll die Verbindung
eines Stützleiterbauelementes aus integrierten Schaltungen mit einer Unterlage nach dem Verfahren gemäß der Erfindung erläutert werden. Wie in F i g. 1 dargestellt, besteht das Bauelement aus einem mit Goldleitern 30 versehenen Siliciumscheibchen 28, das auf einer Unterlage 32 ruht, die unter jedem Leiter nicht dargestellte metallische Bereiche aufweist. Wie in F i g. 2 dargestellt ist, wird auf das Bauelement 28 und die Leiter 30 eine aus einem nachgiebigen Stoff, wie z.B. Aluminium, bestehende hohle Verbindungsform aufgesetzt. Die Form 34 erstreckt sich im wesentlichen über den oberen Teil des Bauelements 28, so daß während der Verbindung der heiße Stempel nicht auf das Bauelement drückt.
Die Verbindung ist in den F i g. 3 und 3 A dargestellt. Ein heißer Stempel 36 wird auf die Anordnung gedrückt, wobei eine Verformung der Form 34 und der Leiter 30 stattfindet. Die Form 34 verformt sich um jeden der Leiter 30, während sich gleichzeitig der Leiter in einem Bereich 26 verformt (Fig. 3A).
Wenn die Verbindung hergestellt ist, wird der Stempel hochgehoben und die Form 34 entfernt. Das Vorhandensein der Verbindung kann durch Prüfen der Eindrücke in der Form 34 untersucht werden, die ein genaues Abbild der Verbindungsgebiete darstellen. Die Prüfmethode ist dem Scherschäl-Test vorzuziehen. Es sei noch bemerkt, das sich die Form 34 in genauer Übereinstimmung mit den Leitern verforrnt, auch wenn diese einen sehr kleinen Abstand haben. F i g. 4 zeigt das verbundene Bauelement nach Entfernung der Form.
Die Form 34 wird wegen des zähen Oxidfilms auf ihrer Oberfläche nicht mit den Werkstücken verbunden. Da filmbildende Metalle (z. B. Aluminium, Nikkei, Titan und Tantal) stets Oxidfilme aufweisen und deren Dicke leicht durch anodische Behandlung eingestellt werden können, sind sie als nachgiebige! Stoff vorzuziehen. Es können auch sogenannte Trennmaterialien benutzt werden, um eine Verbindung des nachgiebigen Stoffes mit dem Werkstück zi vermeiden. Derartige Trennmaterialien sind jedocl bei der Gefahr einer Verunreinigung nicht zu verwenden.
Da Gold im Vergleich zu Aluminium ein verhältnismäßig weiches Material ist, könnte man erwarten daß die Leiter 30 stark verformt oder durch di< Form 34 beschädigt werden. Dies ist jedoch nicht de Fall. So wurden gute Verbindungen von Goldleiten unter Verwendung von Nickel als nachgiebiger Stof hergestellt, das noch eine größere Härte als Alumi nium aufweist.
Die Verformbarkeit der Leiter während der Ver bindung ist vor allem eine Funktion der geometri sehen Form des nachgiebigen Stoffes und der physi
309 520/1 a
ίο
dem Verfahren gemäß der Erfindung nicht auf. da die Wärme über den Stempel 46 und den nachgiebigen Stoff 48 zugeführt werden kann.
Die F i g. 7 und 8 zeigen die Anwendung der Erfindung zur Verbindung von spröden Scheibchen, die von Einkristallscheiben abgeschnitten sind, mit einer Unterlage. Speziell wird die Verbindung eines Siliciumscheibchens mit einem Kupferbolzen zur Verwendung als Leistungsgleichrichter erläutert.
Ein Amboß 88 weist eine Einsenkung 90 auf. in der ein Kupferbolzen 92 gleiten kann. Der Kopfteil des Bolzens 92 liegt auf der Oberfläche des Amboß. Der Bolzen 92 besteht gewöhnlich aus Kupfer, um als Wärmesenke zu wirken. Da Silicium und Kupfer verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten haben, wird in der Regel eine Ausgleichscheibe 93 verwendet, die an dem Kupferbolzen 92 hart angelötet ist. Diese Scheibe kann aus Molybden, Wolfram od. dgl. bestehen und verhindert eine Beschädigung
kaiischen Eigenschaften der Materialien. Wenn der nachgiebige Stoff eine Scheibe ist, die im wesentlichen den ganzen Leiter senkrecht zum Bauelement bedeckt, werden die Verbindungen mit geringer oder nicht sichtbarer Verformung des Leiters hergestellt. Bei der Verbindung von einfachen Stützleiterbauelementen wird eine feste Scheibe des nachgiebigen Stoffes, die das gesamte Bauelement und die Leiter bedeckt, verwendet, wenn das Bauelement entsprechend stabil ist. unter Druck verformt sich der Stoff um das Bauelement und die Leiter und stellt gute Verbindungen her. Die Verbindung des Bauelementes ist offenbar unmöelich, da die Bauelemente und die Leiter den gleichen Kräften unterworfen werden
Die "erstehenden Ausführungen sollen an Hand
der Verbindung eines Stützleiterbauelementes mit 18
Leitern auf einer mit Au-Ti-Verbindungsflächen versehenen Glasunterlage erläutert werden. Als nachgie- ..
bieer Stoff wurde Aluminium 2024 mit einer Dicke 20 des Bauelementes infolge thermischer Beanspruvon 0 013 cm und einem eingestanzten quadratischen chung. Auf der Scheibe 93 liegt eine auf ihrer unte-Loch 'von 0 1359 cm verwendet. Die Unterlage, das ren Seite metallisierte und plattierte Siliciumscheibe Bauelement'und die Aluminiumscheibe wurden der- 94, wie dieses auch für eine Lötung notwendig ist. art übereinander gelegt, daß das Bauelement durch Der nachgiebige Stoff 95, der wiederum aus einem das Loch ragte Der Stempel aus rostfreiem Stahl mit as filmbildenden Metall wie Aluminium bestehen kann, einer flachen Inconel-Spitze wurde durch eine 150 wird auf die Siliciumscheibe 94 gelegt und mittels Watt Heizpatrone erhitzt. Die Verbindung wurde in einer Sonotrode 96 leicht angedrückt. Warme und 1 5 sek mit einem Gesamtstempeldruck von etwa Ultraschallenergie werden für den Bruchteil einer Se-22 ke (1 36 kg je Leiter) bei einer Temperatur von künde zugeführt, wobei die Sonotrode in der Rich-400° C hergestellt Die seitliche Verformung der 30 rung vibriert, die durch den Pfeil in F i g. 8 angego-Stützleiter betrug dabei weniger als lO«o. Nach der ben ist. Wie ebenfalls aus Fig. 8 zu ersehen ist, ver-Verbindung konnte das Bauelement mit Druckluft formt sich der nachgiebige Stoff 95 um die Scheibe von 25 kg/cm* von der Unterlage nicht abgesprengt 94, wobei die kurzzeitige Energiezufuhr ausreicht, werden Wenn eine scharfe Sonde benutzt wurde, um die Scheiben 94 und 93 ohne Verformung oder Reidas Bauelement von der Unterlage abzuscheren, bra- 35 Ben der Scheibe 94 zu verbinden. Dabei bestimmt chen sämtliche 18 Leiter ab und blieben mit der Un- sich die insgesamt zugeführte Verbindungsenergie terlage verbunden. aus der Größe der Scheibe und den beteiligten Mate-
Die Anwendung der Thermokompression für die rialien.
Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wuroe
erfolgt zweckmäßig bei Temperaturen im Bereich 40 eine Galliumarsenid-Laser-Flächendiode mit Gold von 350 bis 500° C. Verbindungszeiten von 1 bis auf beiden Seiten metallisiert und mit einer 5 k und Stempeldrücken von 13,5 bis 22,7 kg. Au-Ti-plattierten Unterlage verbunden. Das Scheib-
· : · u— chen, etwa 0,25 cm im Quadrat und weniger als
0,013 cm dick, wurde auf die Oberfläche einer Unteriage gelegt und mit einer Aiuminiumscheibe hoher Reinheit und einer Dicke von 0,038 cm bedeckt. Das Ganze wurde mittels einer Ultraschallsonotrode unter einem Druck von etwa 0,7 kg zusammengehalten.
narallel zur Aroeiisnacne ««^«u» — — Nach Einschaltung der Wärmezufuhr über die Sonoweist eine Ausnehmung 40 für die Unterlage 42 auf. 50 trode wurde eme Sekunde später die Ultraschallener-Auf die Unterlage 42 wird ein Stützleiterbauelement gie eines 40 KHz-Generators 0,5 Sekunden lang mil 44 gelegt. Ein Stempel 46 trägt an seiner Stirnfläche einer Leistung von 1 Watt zugeführt Die genaue ein elastisch verformbares Material 48, das um das Temperatur des Aluminiums oder des Scheibchen« Bauelement derart verformbar ist, daß alle Leiter un- konnte dabei nicht gemessen werden. Die Sonotrode abhäneie von ihrer Größe auf die Unterlage 42 ge- 55 erreichte eine Temperatur von 315° C Die Güte dei druckt werden Der Stempel 46 kann hydraulisch, Verbindung konnte durch die Inbetriebnahme dei Hnrch Nocken oder ein anderes geeignetes Mittel be- Laserdiode nachgewiesen werden. fS werden Die ^geführte Ultraichallenergie be- Das Verfahren gemäß der Erfindung führt zu bes
wirkt eine Vibration des Tisches parallel zu seiner seren Verbindungen als die herkömmlichen Ultra Trittfläche in Richtung des Pfeils in Fig.6 und 60 schall- oder Thermokompressionsverfahren. Nach iiSS^eSntoitoWetatBcte. folgend wird eine mögüche Erklärung für die.
Wie bereits erwähnt kann während des Ultra- Überlegenheit gegeben. Man konnte meinen, das 11 schallschweißens vorteilhafterweise Wärme zugeführt jedem besonderen Fall unter der Annahme eine werden um eine Kalthärtung des Leiters zu vertun- konstanten Verbindungszeit em Bereich der gesam ,WnDie Zuführung der Wärme über eine her- 65 ten Verbindungsenergie gegeben ist, die eine gut kömmliche Ultraschallsonotrode ist jedoch schwierig, Verbindung ermöglicht, wobei diese Energie in me da dTe Schalleigenschaften der Sonotrode zum Te, chanischer und thermischer Energie aufgeteilt wei temperaturabhängig sind. Dieses Problem tritt bei den kann. Wenn eme unzureichende Gesamtverbin
O SeK UUU JltUipv.iui uvnvti . w»* ^-,— ,. ,,
Diese Parameter sind jedoch relativ zueinander abzustimmen. Bei niedrigereren Temperaturen sind z.B. längere Zeiten günstiger und umgekehrt.
Die F i g. 5 und 6 sollen die Herstellung einer Verbindung gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung erläutern. Ein mit einem Ultraschallgeber parallel zur Arbeitsfläche verbundener Tisch
fl 752
dungsenergie jedoch zugeführt wird, haftet der Leiter nur ungenügend an der Unterlage und kann abgezogen werden. Wenn zuviel Verbindungsenergie zugeführt wird, wird der Leiter beschädigt und bricht beim Abziehen.
Bei der Verbindung mit einem nachgiebigen Stoff gemäß der Erfindung wird die obere Grenze der gesamten Verbindungsenergie die eine gute Verbindung gewährleistet, wesentlich heraufgesetzt, da sich der nachgiebige Stoff und nicht das Werkstück verformt, wodurch das Risiko zu großer Verformung des Leiters herabgesetzt wird. Es wird angenommen, daß die Verbindung an der Grenzfläche unabhängig von der Verbindungsart durch Diffusion erfolgt. Die Diffusion ist ein zeit- und temperaturabhängiger Prozeß. Bei der Verbindung mit einem nachgiebigen Stoff kann mit einer etwas längeren Verbindungszeit gearbeitet werden, so daß auf Grund einer größeren Diffusion an der Grenzfläche eine festere Verbindung entsteht. Diese Betrachtungen gelten für die Ultraschall- und Thermokompressionsverfahren zugleich, jedoch ist der ablaufende Mechanismus verschieden. Zum Beispiel wird bei der Ultraschallschweißung Wärme sowohl durch innere als auch durch äußere Reibung und Hysterese zusätzlich zu den verwendeten äußeren Quellen erzeugt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 752 67S ι lage bricht vorhandene Oxidfilme u.dgl. auf, um Patentansprüche· blanke Verbindungsflächen zu liefern. Die dabei durch Reibung erzeugte Wärme ergibt dann eine
1. Verfahren zum Verbindungsschweißen von richtige metallurgische Verbindung. Bei dem zweiten Kleinstbauteilen, denen eine Vielzahl von Leitern 5 Verfahren wird eine Kombination von Warme und oder eine Scheibe aus sprödem Material zugeord- Druck, die z. B. durch einen erhitzten Stempel zugenet sind, bei dem die Unterlage und die Leiter führt werden, verwendet, um die Verbindung herzu- bzw. die Scheibe zusammengebracht, mittels stellen. Das benutzte Verfahren gleicht der Ultraeines Übertragungsgliedes zusammengepreßt und schallschweißung abgesehen davon, das em erhitzter im Zusammenwirken mit dem übertragenden i° Stempel an Stelle einer Ultraschallsonotrode verwen-Druck mittels Thermokompression oder Ultra- det wird, um die Energie auf die Werkstucke zu schall zusammengeschweißt werden, wubei der übertragen.
aufgebrachte und der übertragene Druck in glei- Diese Schweißverfahren können zwei wesentliche eher Richtung zur Einwirkung gebracht werden, Fehler zur Folge haben. Der erste besteht dann, daß dadurch gekennzeichnet, daß die 15 die Schweißstelle verhältnismäßig leicht ausemander-Druckübertragung mittels eines verformbaren, gezogen werden kann, so daß eine nachfolgende Bevom Übertragungsglied beaufschlagten, unmittel- anspruchung zu einem Bruch führt. Der zweite Fehbar und gleichzeitig auf sämtliche Leiter bzw. die ler besteht darin, daß eins oder beide der verbundegesamte zugeordnete Fläche der Scheibe einwir- nen Gebiete so stark verformt werden, daß sie derart kenden Übertragungsstoffes erfolgt. 20 ernsthaft geschwächt werden, daß eine Beanspru-
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- chung einen Bruch des einen oder des anderen der kennzeichnet, daß ein plastischer Übertragungs- verbundenen Teile zur Folge hat.
stoff verwendet wird. Diese Fehler treten insbesondere bei der gleichzei-
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